DE60038355T2 - Process for producing ceramic coatings - Google Patents
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Description
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Wärmebarrierebeschichtungen und abreibbaren Dichtungen, die aus mehreren Schichten bestehen, wobei mindestens eine der Schichten porös ist.These The invention relates to a process for the production of ceramic Thermal barrier coatings and abradable gaskets consisting of several layers, wherein at least one of the layers is porous.
Gasturbinenmaschinen werden in breitem Umfang als Antriebskraft-Quellen und für andere Zwecke wie zur Elektrizitätserzeugung und zum Pumpen von Fluiden verwendet. Hersteller von Gasturbinen sind mit einer dauernden Kundenforderung nach besserer Leistung, gesteigerter Effizienz und verbesserter Lebensdauer konfrontiert. Ein Weg, die Leistungsausbeute und die Leistungsfähigkeit zu verbessern, ist, die Betriebstemperaturen zu erhöhen. Ein Erhöhen der Betriebstemperaturen verringert üblicherweise die Lebensdauer der Maschine und ist nur innerhalb der Grenzen der in der Maschine verwendeten Materialien wirksam.Gas turbine engines are widely used as propulsion sources and for other purposes as for electricity generation and used for pumping fluids. Manufacturer of gas turbines are with a constant customer demand for better performance, increased efficiency and improved service life. One way, the performance and the performance To improve is to increase the operating temperatures. One Increase The operating temperatures usually reduce the service life the machine and is only within the limits of the machine used materials effectively.
Gegenwärtige Gasturbinenmaschinen sind vorwiegend aus metallischen Materialien aufgebaut, wobei in den Bereichen der Maschine höherer Temperatur Superlegierungen auf Nickelbasis und Kobaltbasis in breitem Umfang verwendet werden. Derartige Superlegierungen werden gegenwärtig bei Gastemperaturen, die sehr nahe an, und in manchen Fällen über, dem Schmelzpunkt der Superlegierungen sind, in Maschinen verwendet. Erhöhungen der Maschinen-Betriebstemperatur sind nicht möglich ohne gleichzeitige Schritte, um die Superlegierungen davor zu schützen, diesen hohen Gastemperaturen, bei denen die Materialien ansonsten schmelzen würden, direkt ausgesetzt zu werden. Derartige Schritte umfassen die Bereitstellung von Kühlluft (was den Maschinen-Wirkungsgrad verringert) und die Verwendung isolierender Beschichtungen.Current gas turbine engines are mainly constructed of metallic materials, in the areas of the machine higher Temperature superalloys based on nickel and cobalt in wide Scope be used. Such superalloys are currently being included Gas temperatures very close to, and in some cases over, the Melting point of superalloys are used in machines. increases the machine operating temperature is not possible without simultaneous steps, to protect the superalloys from these high gas temperatures which would otherwise melt the materials directly exposed to become. Such steps include the provision of cooling air (which reduces the machine efficiency) and the use of insulating Coatings.
Isolierende
Keramikmaterialien, insbesondere die Bereitstellung dieser Materialien
in der Form von Beschichtungen oder Wärmebarrierebeschichtungen,
sind der Hauptgegenstand dieser Erfindung. Derartige Beschichtungen
bestehen am häufigsten aus
Keramik und werden üblicherweise
durch Plasmaspritzen oder durch Elektronenstrahl-Dampfabscheidung
aufgetragen. Durch Elektronenstrahl-Dampfabscheidung aufgetragene
Beschichtungen sind beispielsweise beschrieben in den
Die
am verbreitetsten verwendete Wärmebarrierebeschichtung
zur Auftragung auf sich drehende Bauteile in Turbinenmaschinen weist
ein Bindungsauftragsmaterial auf, dessen Zusammensetzung in dem
Wenn eine Beschichtung mit besseren hinsichtlich der Dichte verbesserten Isolierungseigenschaften entwickelt werden könnte, könnte eine derartige Beschichtung entweder bei derselben Dicke wie der jetzt zur Verringerung des Wärmeflusses kommerziell verwendeten verwendet werden, was eine Verringerung an Kühlluft erlauben und einen entsprechenden Anstieg des Maschinen-Wirkungsgrads ermöglichen würde, oder sie könnte bei einer verringerten Dicke verwendet werden, um für denselben Grad an Isolierung und Wärmefluss, aber mit einem verringerten Beschichtungsgewicht, zu sorgen. Derartige Gewichtsverringerungen sind signifikant, insbesondere bei sich drehenden Bauteilen, da das Gewicht der Wärmebarrierebeschichtung während des Maschinenbetriebs zu Zentrifugalkräften von Tausenden von Pounds auf eine einzige Turbinenlaufschaufel in einer großen Flugzeugmaschine führt. Eine Verringerung der Laufschaufel-Zentrifugalkräfte hat positive Auswirkungen auf die Konstruktionserfordernisse von mit der Laufschaufel verbundenen Maschinenbauteilen, insbesondere der Tragscheibe.If improved a coating with better density Insulating properties could be developed, could such a coating either at the same thickness as the one now used to reduce the Heat flow commercial used, which allow a reduction in cooling air and allow a corresponding increase in engine efficiency would, or she could be used at a reduced thickness to the same degree insulation and heat flow, but with a reduced coating weight. such Weight reductions are significant, especially with rotating ones Components, as the weight of the thermal barrier coating while of machine operation to centrifugal forces of thousands of pounds on a single turbine blade in a large aircraft engine leads. A reduction in blade centrifugal forces has a positive effect on the design requirements associated with the blade Machine components, in particular the support disk.
Die
Gasturbineneffizienz kann auch durch Verringern von Gaslecks verbessert
werden. Insbesondere muss der freie Raum zwischen den Enden der
sich drehenden Laufschaufel und dem umgebenden Gehäusekonstrukt
minimiert werden. Dies wird üblicherweise
durch Vorsehen eines abreibbaren Dichtungsmaterials auf dem Gehäuse bewirkt.
Im Betrieb schneiden die Laufschaufelenden einen Kanal in das abreibbare
Material, was das Lecken von Gas verringert. Siehe z. B. die
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, bereit.The The present invention provides a method as claimed in claim 1 is ready, ready.
Die vorliegende Erfindung umfasst daher ein Verfahren zum Auftragen einer geschichteten Keramikmaterial-Beschichtung. Unterschiedliche Schichten in der Struktur haben unterschiedliche Mikrostrukturen, wobei mindestens eine der Schichten relativ dicht ist und weniger Fehler enthält, und eine andere der Schichten weniger dicht ist und mehr Fehler enthält. Die Struktur der weniger dichten Schicht kann durch eine Wärmebehandlung modifiziert werden, um Porosität zu schaffen. Porosität schafft eine verringerte Wärmeleitfähigkeit, und für Dichtungsanwendungen schafft die Porosität auch eine verbesserte Abreibbarkeit bzw. Abschleifbarkeit. Die Schichten werden bevorzugt durch physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidung abgeschieden. Die Schichten werden unter Bedingungen aufgetragen, die die vorher erwähnten Unterschiede in Dichte und Porosität zwischen abwechselnden Schichten erzeugen, indem die Temperatur des Substrats und des Materials, wie abgeschieden, gewechselt wird.The present invention therefore includes a method of applying a layered ceramic material coating. Different layers in the structure have different micro structures, wherein at least one of the layers is relatively dense and contains fewer defects, and another of the layers is less dense and contains more defects. The structure of the less dense layer can be modified by a heat treatment to provide porosity. Porosity provides reduced thermal conductivity, and for seal applications, porosity also provides improved abradability. The layers are preferably deposited by electron beam physical vapor deposition. The layers are applied under conditions that produce the aforementioned differences in density and porosity between alternating layers by changing the temperature of the substrate and the material as deposited.
Die relativ dichten Schichten werden durch Elektronenstrahl-Dampfabscheidung unter Bedingungen, die zur Abscheidung von dem führen, was jene mit Kenntnissen auf dem Gebiet der physikalischen Dampfabscheidung als Zone II-Strukturen bezeichnen, aufgetragen. Die weniger dichten Schichten (d. h. die Schichten, die porös werden) werden ebenfalls durch EBPVD und unter Bedingungen aufgetragen, die zu Mikrostrukturen führen, die Fachleute auf dem Gebiet der physikalischen Dampfabscheidung als Zone I-Strukturen bezeichnen. Der Begriff Zone I, wie er hierin verwendet wird, bedeutet eine Schicht, die entweder eine Zone (I-Struktur, wie abgeschieden, oder eine Zone I-Struktur, wie abgeschieden, die zur Erhöhung der Porosität wärmebehandelt wurde, hat.The relatively dense layers are formed by electron beam vapor deposition under conditions that lead to the separation of what those with knowledge in the field of physical vapor deposition as Zone II structures denote, applied. The less dense layers (i.e. Layers that are porous are also applied by EBPVD and under conditions that lead to microstructures, the experts in the field of physical vapor deposition denote zone I structures. The term zone I, as used herein a layer that is either a zone (I-structure, as deposited, or a zone I structure, such as deposited, to increase the porosity heat treated was, has.
Die sich ergebende Struktur kann wärmebehandelt werden, um die Porosität durch Sintern zu verbessern, was die Porengröße erhöht und die Keramikbereiche, die die Poren umgeben, verdichtet.The The resulting structure can be heat treated be to the porosity by sintering, which increases the pore size and the ceramic regions, which surround the pores, compacted.
Die Beschichtung der Erfindung findet insbesondere Anwendung auf dem Gebiet der Gasturbinenbauteile. Derartige Bauteile umfassen Turbinen-Strömungsprofile (Laufschaufeln und Leitschaufeln) und abreibbare Dichtungen, die dazu gedacht sind, mit Laufschaufelenden oder Schneidendichtungen zu Wechselwirken, um einen unerwünschten Gasfluss zu verringern.The Coating of the invention finds particular application to the Field of gas turbine components. Such components include turbine airfoils (Blades and vanes) and Abreibbare seals that are meant to be, with blade ends or cutting gaskets to interact to an undesirable gas flow to reduce.
Nun werden bestimmte bevorzugte Ausführungsformen detaillierter, lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:Now certain preferred embodiments in more detail, by way of example only and with reference to FIGS accompanying drawings, in which:
Die
physikalische Dampfabscheidung von Keramiken, einschließlich Elektronenstrahl-
und Sputter-Techniken, wurde umfassend studiert. Eine Arbeit, die
1969 von B.A. Movchan und A.B. Demchishin in the Journal Physics
of Metallurgy and Metallography (USSR), Vol. 28, S. 83, publiziert
wurde, mit dem Titel "Study
of the Structure and Properties of Thick Vacuum Condensates of Nickel,
Titanium, Tungsten, Aluminum Oxide, and Zirconium Oxide" analysiert die Dampfabscheidung
von Materialien unter verschiedenen Bedingungen. Diese Autoren waren
die ersten, die die Struktur von durch physikalische Elektronenstrahl-Dampfab scheidung
abgeschiedenen Beschichtungen als eine Funktion der Substrat-Oberflächentemperatur
charakterisierten.
Für Keramiken bestimmten Movchan et al., dass die Grenze zwischen Zone I und Zone II typischerweise bei einer homologen Temperatur (homologe Temperatur bezieht sich auf den Bruchteil der absoluten Schmelztemperatur des Materials) von zwischen 0,22 und 0,26 auftrat, und die Grenze zwischen Zone II und III typischerweise bei einer homologen Temperatur von zwischen etwa 0,45 und 0,5 auftrat.For ceramics, Movchan et al. Determined that the boundary between Zone I and Zone II typically occurred at a homologous temperature (homologous temperature refers to the fraction of the absolute melting temperature of the material) of between 0.22 and 0.26, and the limit between zones II and III typically at a homologous temperature of between about 0.45 and 0.5 occurred.
Es ist ersichtlich, dass eine einzige keramische Zusammensetzung so abgeschieden werden kann, dass sie drei unterschiedliche Strukturen hat, indem man die Temperatur der Substratoberfläche, auf der die Beschichtung abgeschieden wird, kontrolliert. Da die Mikrostruktur der abgeschiedenen Beschichtung eine Funktion der Substrattemperatur ist, kann man auch sehen, dass unterschiedliche Keramikmaterialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten und daher unterschiedlichen homologen Temperaturen auf einem Substrat bei konstanter Oberflächentemperatur abgeschieden werde könnten und unterschiedliche Zonenstrukturen aufweisen könnten.It It can be seen that a single ceramic composition so It can be separated that they have three different structures has, by looking at the temperature of the substrate surface on which the coating is deposited, controlled. Because the microstructure of the deposited Coating is a function of the substrate temperature, you can also see that different ceramic materials with different Melting points and therefore different homologous temperatures deposited on a substrate at constant surface temperature could become and could have different zone structures.
Die Substrat-Oberflächentemperatur bezieht sich auf die Temperatur an der Oberfläche, auf der die Beschichtung abgeschieden wird, diese Temperatur unterscheidet sich oft von der Temperatur der Substrat-Hauptmasse und wird durch Strahlungsenergiefluss und die Energiezufuhr in die Oberfläche durch Beschichtungsmaterial, das auf die Oberfläche auftrifft, beeinflusst und kann durch die Verwendung von externen Heizeinrichtungen gesteigert werden. Höhere Substrat-Oberflächentemperaturen erlauben eine seitliche Diffusion von abgeschiedenen Atomen, was zu Abscheidungen höherer Dichte führt.The Substrate surface temperature refers to the temperature at the surface on which the coating is separated, this temperature is often different from the Temperature of the substrate bulk and is due to radiant energy flow and the energy input into the surface by coating material, that hits the surface, influenced and can by the use of external heating devices be increased. higher Substrate surface temperatures allow lateral diffusion of deposited atoms, what to higher deposits Density leads.
Der Kern der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Abscheidung mindestens einer Schicht mit einer Zone I-Struktur und mindestens einer Schicht mit einer Zone II- oder Zone III-Struktur. Der Abscheidung kann eine geeignete Wärmebehandlung folgen. Eine Richtlinie für eine geeignete Wärmebehandlungstemperatur ist eine Temperatur über etwa 0,5 bis 0,8 der homologen Temperatur der Schichtzusammensetzung, um die Porosität zu schaffen. Bevorzugt befindet sich eine Schicht der Zone I-Struktur zwischen benachbarten Schichten von Zone II-Struktur. Die Zone I-Struktur, die weniger dicht ist, hemmt den Wärmefluss und sorgt daher für eine thermische Isolierung. Die weniger dichte Struktur ist auch abreibbarer für Dichtungsanwendungen. Die Schicht mit der relativ dichteren Zone II-Struktur sorgt für mechanische Festigkeit. Die Schichtdicke kann variieren, beispielsweise zwischen 0,05 und 5000 μm, und bevorzugt zwischen 0,1 und 1000 μm. Die Gesamtbeschichtungsdicke kann, beispielsweise, im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 1 mm für Wärmebarrierebeschichtungen und bis zu etwa 5 mm für abreibbare Beschichtungen liegen.Of the The core of the present invention is a method for deposition at least one layer with a zone I structure and at least a layer with a zone II or zone III structure. The deposition can be a suitable heat treatment consequences. A guideline for a suitable heat treatment temperature is a temperature above about 0.5 to 0.8 of the homologous temperature of the layer composition, about the porosity to accomplish. Preferably, there is a layer of the zone I structure between adjacent layers of Zone II structure. The zone I structure, the less dense is, inhibits the heat flow and therefore provides for a thermal insulation. The less dense structure is also abradable for sealing applications. The Layer with the relatively denser Zone II structure ensures mechanical Strength. The layer thickness can vary, for example between 0.05 and 5000 μm, and preferably between 0.1 and 1000 μm. The total coating thickness For example, it can range from about 10 μm to about 1 mm for thermal barrier coatings and up to about 5 mm for abradable coatings lie.
Wie bei der oben erwähnten Anwendung diskutiert, können praktische Anwendungen der Erfindung viele abwechselnde Schichten von Materialien, z. B. mehr als 10 Schichten und sogar mehr als 100 Schichten, enthalten. Praktische Anwendungen der Erfindung setzen bevorzugt auch Wärmebehandlungen nach der Abscheidung der geschichteten Beschichtung ein, um ein Sintern der Zone I-Struktur und die Bildung größerer, angehäufter Poren oder Porosität zu veranlassen. Eine derartige Poren-Anhäufung verbessert die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung durch Verdichten der Keramik in Bereichen zwischen den Poren. Die durchschnittliche Porengröße überschreitet 0,01 und bevorzugt 0,1 μm. Die sich ergebenden Poren haben eine gerundete Gestalt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass für eine Pore des durchschnittlichen Durchmessers "D" (gemessen an mehreren Durchmessern) der kleinste Radius der Porenwand größer als 0,1 D, und bevorzugt größer als 0,3 D, ist.As at the above mentioned Application discussed practical applications of the invention many alternating layers of materials, e.g. Eg more than 10 layers and even more than 100 layers, included. Put practical applications of the invention also prefers heat treatments after depositing the layered coating, insert one Sintering of the Zone I structure and the formation of larger, accumulated pores or porosity to induce. Such a pore accumulation improves the mechanical Properties of the coating by compacting the ceramic in areas between the pores. The average pore size exceeds 0.01 and preferably 0.1 microns. The resulting pores have a rounded shape through them that is characterized for a Pore of average diameter "D" (measured at several diameters) the smallest radius of the pore wall is greater than 0.1 D, and preferably greater than 0.3 D, is.
Üblicherweise wird ein Bindungsauftrag (oder zumindest eine Aluminiumoxid-Schicht) zwischen dem Substrat und der Beschichtung mit geschichteter Porosität der Erfindung angebracht. Bevorzugte Bindungsaufträge umfassen jene Beschichtungen, die als MCrAlY-Beschichtungen und Aluminid-Beschichtungen bekannt sind. Beide Typen von Beschichtungen bilden dichte, anhaftende Aluminiumoxid-Schichten von vernünftiger Reinheit, und es ist diese Aluminiumoxid-Schicht, an der die erfindungsgemäße Beschichtung haftet.Usually is a bonding order (or at least an alumina layer) between the substrate and the coated porosity coating of the invention appropriate. Preferred binding jobs include those coatings, known as MCrAlY coatings and aluminide coatings are. Both types of coatings form dense, adherent alumina layers of more reasonable Purity, and it is this alumina layer to which the coating of the invention liable.
Das Konzept dieser Erfindung kann durch Betrachtung des folgenden Beispiels, das veranschaulichend, nicht beschränkend, gemeint ist, besser verstanden werden.The Concept of this invention can be appreciated by considering the following example, that is illustrative, not limiting, better be understood.
Beispielexample
Ein Substrat aus Einkristall-Superlegierung mit einer nominellen Zusammensetzung von 5% Cr, 10% Co, 1,9% Mo, 5,9% W, 3% R, 8,7% Ta, 5,65% Al, 0,1% Hf, Rest Ni, wurde bereitgestellt. Die Oberfläche des Substrats wurde durch Abstrahlen mit Aluminiumoxid gereinigt, und es wurde eine dünne Bindungsauftragsschicht vom MCrAlY-Typ mit einer nominellen Dicke von etwa 125 μm (0,005 inch) und einer nominellen Zusammensetzung von etwa 22% Co, 17% Cr, 12,5% Al, 0,25% Hf, 0,4% Si, 0,6% Y, Rest Ni, aufgetragen. Der Bindungsauftrag wurde durch konventionelle Plasmaspritztechniken abgeschieden. Die Bindungsauftrag-Oberfläche wurde dann mit Glasperlen gehämmert, um ihre Dichte zu steigern. Dann wurde ein Wärmebehandlungsschritt durchgeführt, um eine thermisch gewachsene Oxidschicht (vorherrschend Aluminiumoxid) zu entwickeln. Die Behandlung wurde 15 Minuten lang bei 816°C (1500°F) bei einem Sauerstoffstrom von 70 Standardkubikzentimetern pro Minute (sccm) bei einem Druck von etwa 3,3 mPa (10–4 torr) durchgeführt. Es ist minimales Experimentieren erforderlich, um die gewünschte Oxid-Dicke zu entwickeln.A single crystal superalloy substrate having a nominal composition of 5% Cr, 10% Co, 1.9% Mo, 5.9% W, 3% R, 8.7% Ta, 5.65% Al, 0.1 % Hf, balance Ni was provided. The surface of the substrate was cleaned by blasting with alumina to form a thin MCrAlY-type bond coat layer having a nominal thickness of about 125 μm (0.005 inches) and a nominal composition of about 22% Co, 17% Cr, 12.5 % Al, 0.25% Hf, 0.4% Si, 0.6% Y, balance Ni. The binding deposit was deposited by conventional plasma spraying techniques. The bond coat surface was then hammered with glass beads to increase their density. Then, a heat treatment step was performed to develop a thermally grown oxide layer (predominantly alumina). The treatment was carried out at 816 ° C (1500 ° F) for 15 minutes at an oxygen flow of 70 standard cubic centimeters per minute (sccm) at a pressure of about 3.3 mPa (10 -4 torr). Minimal experimentation is required to develop the desired oxide thickness.
Dann
wurde auf die Bindungsauftrag-Oberfläche eine geschichtete Beschichtung
aufgetragen, die aus abwechselnden Schichten aus Yttriumoxid-stabilisiertem Cerdioxid
(12 Gew.-% Yttriumoxid), abwechselnd zwischen weniger dichten und
dichteren Schichten, zusammengesetzt war. Die Beschichtungsdicken
waren etwa 0,25 μm
pro Schicht. Mehrere Paare von Beschichtungsschichten wurden aufgetragen.
Siehe z. B.
Diese Beschichtungsschichten wurden unter Verwendung eines Elektronenstrahls zur Verdampfung der Keramikmaterialien aufgetragen. Das Quellenmaterial wurde mittels eines Elektronenstrahls, der bei etwa 10 kV und einem Strom von etwa 0,4 A für eine Verdampfungsleistung von etwa 4 kW arbeitete, verdampft. Der Abstand von dem Substrat zu der Keramikquelle war etwa 76 mm (3 inch). Das Substrat wurde während der Abscheiung gedreht.These Coating layers were made using an electron beam applied to the evaporation of the ceramic materials. The source material was by means of an electron beam at about 10 kV and a Current of about 0.4 A for an evaporation power of about 4 kW worked, evaporated. Of the Distance from the substrate to the ceramic source was about 76 mm (3 inch). The substrate was during turned to the Abscheiung.
Der Strahl verweilte kontinuierlich auf der Quelle, wobei eine wärmehemmende Metallabschirmung wiederholt für Intervalle von 16 Sekunden zwischen der Quelle und dem Substrat angebracht wurde, und dann gefolgt von einer Entfernung für Intervalle von 8 Sekunden. Die Abschirmung bestand aus rostfreiem Stahl und enthielt Öffnungen von etwa 4 mm. Die Beschichtungen wurden bei einem verringertem Druck von etwa 532 × 10–6 Pa (4 × 10–6 torr) aufgetragen, und Sauerstoff wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 70 sccm in den Raum geströmt, um die Beschichtungs-Stöchiometrie sicherzustellen.The beam lingered continuously on the source, with a metal thermal barrier shield applied repeatedly for 16 second intervals between the source and the substrate, and then followed by a gap for 8 second intervals. The shield was made of stainless steel and contained openings of about 4 mm. The coatings were applied at a reduced pressure of about 532 x 10 -6 Pa (4 x 10 -6 torr) and oxygen was flowed into the room at a rate of about 70 sccm to ensure coating stoichiometry.
Die
Wärmestrahlung
von dem verdampfenden Zielmaterial war die Hauptquelle für das Erhitzen der
Substratoberfläche
(über die
Temperatur der Substrat-Hauptmasse) während des Beschichtungsprozesses
durch physikalische Elektronenstrahl-Verdampfung. Die Substratoberfläche wurde
in Abwesenheit der zwischen der Quelle und dem Substrat angebrachten
Abschirmung in einem größeren Ausmaß erhitzt,
und in einem geringeren Ausmaß,
wenn die Abschirmung zwischen der Quelle und dem Substrat angebracht
war, um den Wärmefluss
von der Quelle zu dem Substrat zu verringern. Dieser Prozess führte zu
abwechselnden Yttriumoxid-Cerdioxid-Schichten mit einer dichteren
Zone II-Struktur und Schichten mit einer weniger dichten Zone I-Struktur,
die Mikrolücken
und Mikroporosität
enthielt. Siehe z. B.
Die Yttriumoxid-Cerdioxid-Zusammensetzung hat einen relativ hohen Dampfdruck und verdampft leicht bei einer viel niedrigeren Temperatur, offensichtlich durch Sublimation, und bildet daher kein heißes geschmolzenes Schmelzbad wie das während der echten Verdampfung gebildete. Materialien wie Yttriumoxid-Cerdioxid, die einen relativ hohen Dampfdruck haben, liefern während der Verdampfung weniger Wärme als andere Materialien, wie Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, und erwärmen daher das Substrat in einem geringeren Ausmaß. In diesen Fällen kann es wünschenswert sein, externe Heizeinrichtungen zu verwenden, um die Substrat-Temperatur zu erhöhen. In diesem Fall würde die Abschirmung zwischen der Quelle und dem Substrat, zwischen der externen Heizeinrichtung und dem Substrat, oder beiden, angebracht werden.The Yttria-ceria composition has a relatively high vapor pressure and evaporates easily at a much lower temperature, obviously by sublimation, and therefore does not form a hot molten pool like that while the real evaporation formed. Materials such as yttria-ceria, which have a relatively high vapor pressure, deliver during the Evaporation less heat as other materials, such as yttria-stabilized zirconia, and warm up therefore, the substrate to a lesser extent. In these cases can it would be desirable use external heaters to increase the substrate temperature to increase. In that case, would the shield between the source and the substrate, between the external heater and the substrate, or both become.
Insgesamt war die Substratoberfläche, die beschichtet wurde, während der Abscheidung von Yttriumoxid-Cerdioxid bei Abwesenheit der Abschirmung bei einer relativ hohen Temperatur, und der Dampf kondensierte als eine Struktur vom Zone II-Typ. Die Substratoberfläche war jedoch während der Abscheidung von Yttriumoxid-Cerdioxid, bei zwischen der Quelle (und irgendeiner externen Heizeinrichtung) und dem Substrat angebrachter Abschirmung, und bei der begrenzten Erwärmung, bei einer relativ niedrigen Temperatur, und die zugehörige Dampfwolke kondensierte als eine Struktur vom Zone I-Typ.All in all was the substrate surface, which has been coated while the deposition of yttria-ceria in the absence of the shield at a relatively high temperature, and the vapor condensed as a structure of Zone II type. The substrate surface was however during the Deposition of yttria-ceria, at between the source (and any external heater) and the substrate Shielding, and limited heating, at a relatively low Temperature, and the associated vapor cloud condensed as a zone I type structure.
In
dem Fall von Yttriumoxid-Cerdioxid oder einem anderen Material,
das nicht gut an einem Bindungsauftrag oder einer Aluminiumoxidschicht
haften mag, wenn es bei niedrigeren Temperaturen abgeschieden wird
(ein anderer Grund, der für
die Verwendung einer obigen externen Heizeinrichtung spricht), kann
es wünschenswert
sein, eine Schicht aus einem keramischen Bindungsauftragmaterial, wie
Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid, als eine Anfangsschicht
oder keramischen "Bindungsauftrag" zu verwenden. Ein
derartiger keramischer Bindungsauftrag ist in
Andere
Proben wurden hergestellt unter Verwendung von Gadoliniumoxid-stabilisiertem
Zirkoniumdioxid. Die Proben enthielten etwa 33 mol. % Gadoliniumoxid,
Rest 7YSZ als das stabilisierte Zirkoniumdioxid, und wurden in einer ähnlichen
Weise wie der oben beschriebenen abgeschieden. Die Beschichtung
wie abgeschieden wurde dann etwa 24 Stunden lang bei etwa 1205°C (2200°F) wärmebehandelt.
Die sich ergebende geschichtete Porosität ist in dem bei 10 angegebenen
Bereich von
Die vorherigen Beispiele veranschaulichen die Erfindung unter Verwendung einer Zusammensetzung aus Keramikmaterial. Es gibt natürlich viele Zusammensetzungen und Kombinationen von Keramikmaterialien, die abgeschieden werden können. Einige Variationen und alternative Details werden unten beschrieben.The previous examples illustrate the invention using a composition of ceramic material. There are of course many compositions and combinations of ceramic materials that are deposited can. Some Variations and alternative details are described below.
Substratsubstratum
In breitester Weise kann das Substrat irgendein Hochtemperaturmaterial wie, beispielsweise, Keramiken, Kohlenstoff, Kohlenstoff-Verbundmaterialien und dergleichen, sowie Superlegierungen aufweisen. Für die Zwecke gegenwärtiger Gasturbinenmaschinen sind Superlegierungen am brauchbarsten. Superlegierungen sind metallische Materialien auf der Basis von Eisen, Nickel oder Kobalt mit Dehngrenzen bei 538°C (1000°F) über 345 MPa (50 ksi), und typischer über 690 MPa (100 ksi).In most widely, the substrate may be any high temperature material such as, ceramics, carbon, carbon composites and the like, as well as superalloys. For the purpose current Gas turbine engines are superalloys most useful. superalloys are metallic materials based on iron, nickel or Cobalt with yield strengths at 538 ° C (1000 ° F) over 345 MPa (50 ksi), and more typically about 690 MPa (100 ksi).
Wie
unten diskutiert, sind Bindungsaufträge oft erwünscht, um eine Anhaftung der
Beschichtung an dem Substrat sicherzustellen, unter einigen Bedingungen
jedoch mag es für
manche Superlegierungen keinen Bedarf an einem Bindungsauf trag geben. Superlegierungen,
die ohne Verwendung einer Bindung beschichtet werden können, können inhärent, wenn
sie bei erhöhten
Temperaturen oxidierenden Bedingungen ausgesetzt werden, auf ihren
Außenoberflächen eine
Schicht aus hoch reinem Aluminium entwickeln. Eine beispielhafte
Superlegierung, die keinen Bindungsauftrag erfordert, ist in dem
Wenn die Beschichtung der Erfindung auf ein Keramikmaterial, beispielsweise Aluminiumoxid, aufzutragen wäre, gäbe es im Allgemeinen keinen Bedarf an einem Bindungsauftrag.If the coating of the invention on a ceramic material, for example Alumina, to apply, there would be generally no need for a binding job.
Bindungsauftragbinding contract
Für gewöhnlich ist ein Bindungsauftrag ein Teil des Beschichtungssystems der Erfindung. Das Erfordernis eines Bindungsauftrags hängt ab von dem Substrat und von den Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Wärmebarrierebeschichtung, der Betriebstemperatur, der erwünschten Lebensdauer und anderen Umgebungsfaktoren einschließlich zyklischer Wärmebeanspruchung und der Umgebungs-Gaszusammensetzung. Die wesentlichen gemeinsamen Merkmale, die bei einem brauchbaren Bindungsauftrag erforderlich sind, sind, dass er an dem Substrat haftet, thermisch und diffusionsmäßig stabil ist, und eine stabile Aluminiumoxid-Schicht bildet, die in der Betriebsumgebung an der abzuscheidenden Keramikschicht haftet.Usually is a bond coat part of the coating system of the invention. The requirement of a bond coat depends on the substrate and from the requirements of the performance of the thermal barrier coating, the Operating temperature, the desired Lifetime and other environmental factors including cyclic thermal stress and the ambient gas composition. The essential common Features required for a usable binding job are, that it adheres to the substrate, thermally and diffusion moderately stable is, and forms a stable alumina layer in the operating environment adheres to the deposited ceramic layer.
Es
gibt eine Vielfalt von Bindungsaufträgen, die bei der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können.
Dazu gehören
Auflagebeschichtungen und Aluminid-Beschichtungen. Typische Auflagebeschichtungen
sind in den
Aluminid-Beschichtungen
werden durch Eindiffundieren von Aluminium in das Substrat hergestellt
und sind, beispielsweise, in dem
Es ist auch bekannt, Kombinationen von Auflage- und Aluminid-Beschichtungen aufzutragen, beispielsweise kann eine Aluminid-Beschichtung eine über dem Aluminid aufgetragene Auflagebeschichtung haben und umgekehrt.It is also known combinations of overlay and aluminide coatings For example, an aluminide coating may be one above the Aluminide applied bearing coating and vice versa.
Aluminiumoxid-SchichtAlumina layer
Eine Aluminiumoxid-Schicht, ob unmittelbar auf dem Substrat oder auf einem Bindungsauftrag ausgebildet, ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung. Für gewöhnlich wird die Aluminiumoxid-Schicht thermisch wachsen gelassen, aber es ist bekannt, Sputtern zu verwenden, um diese Schicht zu entwickeln. Die breite Dicke der Aluminiumoxid-Schicht ist etwa 0,01 bis 2 μm, bevorzugt etwa 0,1–0,7 μm.An alumina layer, whether formed directly on the substrate or on a bond coat, is an important feature of the invention. Usually, the alumina layer is allowed to grow thermally, but it is known to use sputtering to develop this layer. The broad thickness of the alumina layer is about 0.01 to 2 μm, preferably about 0.1 to 0.7 μm.
Keramik-ZusammensetzungenCeramic compositions
In
den obigen Beispielen sind zwar Yttriumoxid-Cerdioxid und Gadoliniumoxid-Zirkoniumdioxid beschrieben,
aber bei der vorliegenden Erfindung kann praktisch jede beliebige
Keramik-Zusammensetzung verwendet werden, die durch physikalische Dampfabscheidung
aufgetragen werden kann. Andere geeignete Keramiken, einschließlich Gadoliniumoxid-Zirkoniumdioxid,
sind in
Die Keramik sollte mit dem Bindungsauftrag und/oder dem Substrat, den anderen in der Beschichtung vorhandenen Keramik-Zusammensetzungen, und der Arbeitsumgebung verträglich sein. Die Keramikbeschichtung kann eine einzige Keramik-Zusammensetzung (wie oben) oder verschiedene Keramik-Zusammensetzungen, die als abwechselnde Schichten aufgetragen werden, aufweisen. Das kritische Merkmal ist, dass die Beschichtung so behandelt wird, dass sie abwech selnde Zone I/Zone II (oder Zone III)-Schichtstrukturen erzeugt. Bevorzugt sind die benutzten Keramiken jene, die eine intrinsisch niedrige Masse-Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dazu gehören stabilisiertes Zirkoniumdioxid, Cerdioxid mit Seltenerd-Zusätzen und Pyrochloroxid-Verbindungen.The Ceramics should work with the bond coat and / or substrate, the other ceramic compositions present in the coating, and the working environment be. The ceramic coating can be a single ceramic composition (as above) or various ceramic compositions known as alternating layers are applied. The critical The characteristic is that the coating is treated in such a way that it alternates Zone I / Zone II (or Zone III) layer structures generated. Prefers The ceramics used are those that are intrinsically low Mass Thermal Conductivity exhibit. This includes stabilized zirconia, ceria with rare earth additives and Pyrochloroxid connections.
Die Anordnung der Keramikbeschichtung kann ziemlich abgewandelt werden. Die breiteste Beschreibung ist, dass die Beschichtung aus mehreren Schichten besteht, von denen mindestens eine so abgeschieden wird, dass sie eine Struktur vom Zone I-Typ hat. Bevorzugt wird die Zone I-Struktur danach wärmebehandelt, um Porosität zu bilden oder zu erhöhen. Die Schicht der Zone I-Struktur hat auch bevorzugt unmittelbar an sie angrenzend Schichten mit Zone II (und/oder Zone III)-Struktur, um für eine mechanische Stütze und Begrenzung zu sorgen. Bevorzugt gibt es eine Mehrzahl von abgeschiedenen Schichten des Zone I-Typs, die von Schichten mit Strukturen vom Zone II/Zone III-Typ getrennt werden.The Arrangement of the ceramic coating can be quite varied. The broadest description is that the coating consists of several layers of which at least one is deposited so that they has a structure of zone I type. The zone I structure is preferred heat-treated afterwards, to porosity to form or to increase. The layer of the zone I structure also preferably has an immediate effect they adjacent layers with zone II (and / or zone III) structure, around for a mechanical support and limit. Preferably, there are a plurality of deposited layers of zone I type, that of layers with structures of zone II / zone III type to be separated.
Wir glauben, dass Feinporosität am wirkungsvollsten beim Verringern des Wärmeflusses ist. Dies muss gegen den Gedanken abgewogen werden, dass kleine Poren weniger stabil sind, da sie dazu neigen, bei hohen Temperaturen zu schrumpfen und sich zu verschließen oder auszuheilen. Porenverschluss ist kein signifikantes Problem, wenn die Verwendungstemperatur niedriger ist als die Poren-Schrumpfungstemperatur.We believe that fine porosity is most effective in reducing the heat flow. This must be against Be weighed the thought that small pores less stable are because they tend to shrink at high temperatures and to shut up or heal. Pore closure is not a significant problem when the use temperature is lower than the pore shrinkage temperature.
Unter manchen Umständen können andere Schichten eingebaut werden, ohne die Vorteile der Wärmeisolierung der Erfindung zu beeinträchtigen. Beispielsweise kann eine Außenschicht gewählt werden, um für bestimmte Eigenschaften zu sorgen, die für bestimmte Anwendungen erwünscht sind, wie Wärme-Abstrahlvermögen, Härte, Abriebfestigkeit, Beständigkeit gegen Umgebungsangriff (Oxidation, Sulfidation, Nitridation, etc.) und/oder Beständigkeit gegen Diffusion von schädlichen Umgebungsspezies wie Sauerstoff, die die darunter liegende Beschichtungsschicht und/oder den Bindungsauftrag und/oder das Substrat ungünstig beeinflussen würden. Beispielsweise könnte Aluminiumoxid als eine Außenschicht erwünscht sein, weil es relativ hart ist und gegen die Diffusion von Sauerstoff beständig ist.Under some circumstances can other layers are incorporated without the benefits of thermal insulation to affect the invention. For example can be an outer layer chosen be in order for to provide certain properties that are desirable for certain applications, such as heat radiating ability, hardness, abrasion resistance, durability against environmental attack (oxidation, sulfidation, nitridation, etc.) and / or resistance to Diffusion of harmful Environmental species such as oxygen, the underlying coating layer and / or adversely affect the binding application and / or the substrate would. For example, could Alumina as an outer layer he wishes because it is relatively hard and against the diffusion of oxygen resistant is.
Für Dichtungsanwendungen treffen viele derselben Überlegungen zu. Die Gesamtbeschichtungsdicke ist im Allgemeinen größer, bis zu etwa 2,54 mm (100 mil), bevorzugt 1,27 mm (50 mil). Die Einzelschichtdicke und das Porenvolumen und die Porengröße werden optimiert, um die für eine Abreibbarkeit erforderlichen mechanischen Eigenschaften bereitzustellen.For sealing applications meet many of the same considerations to. Overall coating thickness is generally greater until about 2.54 mm (100 mils), preferably 1.27 mm (50 mils). The single layer thickness and the pore volume and pore size are optimized to the for one Abreibbarkeit required mechanical properties provide.
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